信息的传输

第二节　信息的传输

现在经常见诸报端的“信息高速公路”实际上包括计算机控制系统、卫星传输系统、光纤传输系统、多媒体图像通信系统和数字通信系统，其中第一个系统实际是信息高速公路的管理系统，第二、三个系统是通信网络，最后两个系统则是信号的收发系统。

在信息传输系统中，虽然传统的通信手段，如电报、邮政还不可缺少，但是从发展看，卫星通信、光纤通信将是两大支柱。

一、卫星通信

卫星通信是利用卫星作为中继站。地面卫星站向通信卫星发送微波信号，微波能穿透电离层，通信卫星像一个国际信使，收集来自地面的各种“信件”，卫星收到信号后，把信号放大发回地面，卫星覆盖地区的卫星地面站就能接收到信号。由于地球静止轨道通信卫星是“站”在3.6万千米上的高空，所以它的“投递”覆盖面特别大，一颗卫星就可以负责1/3地球表面的通信。如果在地球静止轨道上均匀地放置三颗通信卫星，便可以实现除南北极之外的全球通信。

通信卫星是世界上应用最早、应用最广的卫星之一，许多国家都发射了通信卫星。1965年4月6日美国成功发射了世界第一颗实用静止轨道通信卫星——国际通信卫星1号。到目前为止，该型卫星已发展到了第八代，每一代都在体积、重量、技术性、通信能力、卫星寿命等方面有一定提高。中国的第一颗静止轨道通信卫星是1984年4月8日发射的，命名为“东方红二号”，该型卫星此后又成功发射五颗。这些卫星先后承担了广播、电视信号传输，远程通信等工作，为国民经济建设发挥了巨大作用。

通信卫星地面接收站

（一）通信卫星分类

按轨道的不同，通信卫星可分为地球静止轨道通信卫星、大椭圆轨道通信卫星、中轨道通信卫星和低轨道通信卫星。

按服务区域不同，通信卫星可分为国际通信卫星、区域通信卫星和国内通信卫星。

按用途的不同，通信卫星可分为军用通信卫星、民用通信卫星和商业通信卫星。

按通信业务种类的不同，通信卫星可分为固定通信卫星、移动通信卫星、电视广播卫星、海事通信卫星、跟踪和数据中继卫星。

按用途多少的不同，通信卫星还可分为专用通信卫星和多用途通信卫星。

（二）卫星通信的优缺点

卫星通信具有视野大，覆盖面广，通信距离远，越洋通信无需铺设电缆，不受地理条件限制，不受线路制约，组网灵活、迅速等优点，但是又有明显的缺点，由于通信卫星距地球约3.6万千米，因此卫星通信至少会有0.24秒的时间延迟，而且电磁波要通过16千米厚的大气层以及地球上空的云层，会受到干扰。另外，卫星通信使用微波通信，易被窃听，保密性差，且卫星造价高，寿命短。

二、光纤通信

光纤通信技术从光通信中脱颖而出，已成为现代通信的主要支柱之一，在现代电信网中起着举足轻重的作用。光纤通信作为一门新兴技术，近年来发展速度之快、应用面之广是通信史上罕见的，也是世界新技术革命的重要标志和未来信息社会中各种信息的主要传送工具。

（一）光纤通信的历史

光纤

自古以来，人类对于长距离通信的需求就不曾稍减。随着时间的前进，从烽火到电报，再到1940年第一条同轴电缆正式服役，通信系统的复杂度与精细度不断地进步。但是这些通信方式各有其局限，使用电气信号传递信息虽然快速，但是传输时会因为电气信号容易衰减而需要大量的中继器；微波通信虽然可以使用空气做介质，可是也会受到载波频率的限制。1970年代，美国康宁公司发展出高品质低衰减的光纤，证明了光纤作为通信介质的可能性。与此同时使用砷化镓（GaAs）作为材料的半导体激光器也被发明出来，并且凭借着体积小的优势而大量运用于光纤通信系统中。1976年，第一条速率为44.7兆比特每秒的光纤通信系统在美国亚特兰大的地下管道中诞生。

第一个商用的光纤通信系统在1980年问市。该通信系统使用波长800纳米的砷化镓激光作为光源，传输的速率达到45兆比特每秒，每10千米需要一个中继器增强信号。

第二代的商用光纤通信系统也在1980年代初期就发展起来，使用波长1300纳米的磷砷化镓铟激光。早期的光纤通信系统虽然因色散的问题而影响了信号品质，但是1981年单模光纤的发明克服了这个问题。到了1987年时，商用光纤通信系统的传输速率已经比第一个光纤通信系统的速率快了将近40倍。同时传输的功率与信号衰减的问题也有显著改善，间隔50千米才需要一个中继器增强信号。1980年代末，掺铒光纤放大器的诞生，堪称光通信历史上的一个里程碑似的事件，它使光纤通信可直接进行光中继，使长距离高速传输成为可能，并促使了密集型光波分复用系统的诞生。

第三代光纤通信系统改用波长1550纳米的激光作光源，而且信号的衰减已经低至每千米0.2分贝。之前使用磷砷化镓铟激光的光纤通信系统常常遭遇到脉波延散问题，科学家设计出色散迁移光纤来解决这些问题，这种光纤在传递1550纳米的光波时，色散几乎为零，因其可将激光的光谱限制在单一纵模。这些技术上的突破使得第三代光纤通信系统的传输速率达到2.5吉比特每秒，而且中继器的间隔可达到100千米远。

第四代光纤通信系统引进了光放大器，进一步减少中继器的需求。另外，波分复用技术则大幅增加了传输速率。这两项技术的发展让光纤通信系统的容量以每6个月增加一倍的方式大幅跃进，到了2001年时已经到达10¹³比特每秒的惊人速率，足足是20世纪80年代光纤通信系统的200倍之多。近年来，传输速率已经进一步增加到14×10¹²比特每秒，每隔160千米才需要一个中继器。

第五代光纤通信系统发展的重心在于扩展波分复用系统的波长操作范围。传统的波长范围，一般是1530纳米至1570纳米之间，新一代的无水光纤低损耗的波段则延伸到1300纳米至1650纳米间。另外一个发展中的技术是引进光固子的概念，利用光纤的非线性效应，让脉波能够抵抗色散而维持原本的波形。

（二）光纤通信原理

现代的光纤通信系统多半包括一个发射器，将电信号转换成光信号，再通过光纤传递光信号。光纤多埋在地下，连接不同的建筑物。系统中还包括数种光放大器，以及一个光接收器将光信号转换回电信号。在光纤通信系统中传递的多为数字信号，来源包括电脑、电话系统，或是有线电视系统。

1.发射器——光源

在光纤通信系统中通常作为光源的半导体元件是发光二极管（LED）或是激光二极管。LED与激光二极管的主要差异在于前者所发出的光为非相干性，而后者则为相干性的光。使用半导体作为光源的好处是体积小、发光效率高、可靠度佳，以及可以将波长最佳化，更重要的是半导体光源可以在高频操作下直接调制，非常适合光纤通信系统的需求。LED借着电激发光的原理发出非相干性的光，频谱通常分散在30纳米至60纳米间。常用于光通信的LED主要材料是砷化镓或是砷化镓磷，后者的发光波长为1300纳米左右，比砷化镓的810纳米至870纳米更适合用在光纤通信。但由于LED的频谱范围较广，导致色散较为严重，也限制了其传输速率与传输距离的乘积。LED通常用在传输速率10兆比特每秒至100兆比特每秒的局域网，传输距离也在数千米之内。目前也有LED可以发出不同波长的光，涵盖较宽的频谱，这种LED被广泛应用在区域性的波分复用网络中。

光纤通信网络

半导体激光的输出功率通常在100微瓦左右，而且作为相干性的光源，方向性相对而言较强，通常和单模光纤的耦合效率可达50％。激光的输出频谱较窄，也有助于增加传输速率以及降低模态色散。半导体激光亦可在相当高的操作频率下进行调制，原因是其复合时间非常短。半导体激光通常可由有无输入电流直接调制其开关状态与输出信号，不过对于某些传输速率非常高或是传输距离很长的应用，激光光源可能会以连续波的形式控制，例如使用外接的电吸收调制器或是马赫曾德尔干涉仪对光信号加以调制。外接的调制元件可以大幅减少激光的“啁啾脉冲”。啁啾脉冲会使得激光的谱线宽度变宽，使得光纤内的色散变得严重。

2.光导纤维

光导纤维包含核心、纤壳以及外层的保护被覆三个部分。核心与折射率较高的纤壳通常用高品质的硅玻璃制成，但是现在也有使用塑胶作为材质的光纤。又因为光纤的外层有经过紫外线固化后的亚克力被覆，可以如铜缆一样埋藏于地下，不需要太多维护费用。然而，如果光纤被弯折的太过剧烈，仍然有折断的危险，而且因为光纤两端连接需要十分精密的校准，所以折断的光纤也难以重新接合。

光纤通信

3.光放大器

过去光纤通信的距离限制主要根源于信号在光纤内的衰减以及信号变形，而解决的方式是利用光电转换的中继器。这种中继器先将光信号转换回电信号放大后再转换成较强的光信号传往下一个中继器，然而这样的系统架构无疑较为复杂，不适用于新一代的波分复用技术，同时每隔20千米就需要一个中继器，让整个系统的成本也难以降低。光放大器的目的即不用光电与电光转换就直接放大光信号。光放大器的原理是在一段光纤内掺杂稀土元素如铒，再以短波长激光激发，如此便能放大光信号，取代中继器。

4.接收器

构成光接收器的主要元件是光探测器，利用光电效应将入射的光信号转换为电信号。光探测器通常是以半导体为基础的光电二极管。另外“金属半导体金属”光探测器也因为与电路整合性佳，而被应用在光再生器或是波分复用器中。光接收器电路通常使用转阻放大器以及限幅放大器处理由光探测器转换出的光电流，转阻放大器和限幅放大器可以将光电流转换成振幅较小的电压信号，再通过后端的比较器电路转换成数字信号。对于高速光纤通信系统而言，信号常常相对地衰减较为严重，为了避免接收器电路输出的数字信号变形超出规格，通常在接收器电路的后级也会加上时钟恢复电路以及锁相回路将信号做适度处理再输出。

5.波分复用

波分复用的实际做法就是将光纤的工作波长分割成多个通道，使能在同一条光纤内传输更大量的信号。一个完整的波分复用系统分为发射端的波长分割复用器以及在接收端的解复用器，最常用于波分复用系统的元件是阵列波导光栅。而目前市面上已经有商用的波长分割复用器/解复用器，最多可将光纤通信系统划分成80个通道，也使得信号传输的速率一下子就突破10¹²比特每秒的等级。

6.带宽—距离乘积

由于传输距离越远，光纤内的色散现象就越严重，影响信号品质。因此常用于评估光纤通信系统的一项指标就是带宽—距离乘积，单位是兆赫兹千米。使用这两个值的乘积作为指标的原因是，通常这两个值不会同时变好，而必须有所取舍。举例而言，一个常见的多模光纤系统的带宽—距离乘积约是500兆赫兹千米，代表这个系统在一千米内的信号带宽可以到500兆赫，而如果距离缩短至0.5千米时，带宽则可以倍增到1000兆赫。

（三）应用极限

虽然目前已经出现很多技术降低诸如色散之类的问题，也使得光纤通信系统的容量达到14×10¹²比特每秒以及160千米的传输距离，但仍然有些问题需要工程师与科学家的研究与克服。以下是这些问题的简单讨论。

1.信号色散

对于现代的玻璃光纤而言，最严重的问题并非信号的衰减，而是色散问题，也就是信号在光纤内传输一段距离后逐渐扩散重叠，使得接收端难以判别信号的高或低。造成光纤内色散的成因很多，以模态色散为例，信号的横模轴速度不一致导致色散，这也限制了多模光纤的应用。在单模光纤中，模态间的色散可以被压制得很低。

但是在单模光纤中一样有色散问题，通常称为群速色散，起因是对不同波长的入射光波而言，玻璃的折射率略有不同，而光源所发射的光波不可能没有频谱的分布，这也造成了光波在光纤内部会因为波长的微小差异而有不同的折射行为。另外一种在单模光纤中常见的色散称为极化模态色散，起因是单模光纤内虽然一次只能容纳一个横模的光波，但是这个横模的光波却可以有两个方向的极化，而光纤内的任何结构缺陷与变形都可能让这两个极化方向的光波产生不一样的传递速度，这又称为光纤的双折射现象。

2.信号衰减

信号在光纤内衰减使得光放大器成为光纤通信系统所必需的元件。光波在光纤内衰减的主因有物质吸收、瑞利散射、米氏散射以及连接器造成的损失。其他造成信号衰减的原因还包括应力对光纤造成的变形、光纤密度的微小扰动，或是接合的技术仍有待加强。

3.信号再生

现代的光纤通信系统因为引进了很多新技术降低信号衰减的程度，因此信号再生只需要用于距离数百千米远的通信系统中。这使得光纤通信系统的建置费用与维运成本大幅降低，特别对于越洋的海底光纤而言，中继器的稳定度往往是维护成本居高不下的主因。这些突破对于控制系统的色散也有很大的助益，足以降低色散造成的非线性现象。此外，光固子也是另外一项可以大幅降低长距离通信系统中色散的关键技术。

4.“最后一英里”光纤网络

虽然光纤网络享有高容量的优势，但是在达成普及化的目标，也就是“光纤到户”以及“最后一英里”的网络布建上仍然有很多困难待克服。然而，随着网络带宽的需求日增，已经有越来越多国家逐渐达成这个目标。以日本为例，光纤网络系统已经开始取代使用铜线的数字用户回路系统。

（四）应用

光纤常被电话公司用于传递电话、因特网，或是有线电视的信号，有时候利用一条光纤就可以同时传递上述的所有信号。与传统的铜线相比，光纤的信号衰减与遭受干扰的情形都改善很多，特别是长距离以及大量传输的使用场合中，光纤的优势更为明显。然而，在城市之间利用光纤的通信基础建设通常因施工难度以及材料成本而难以开展，而即便完工后，系统维护复杂度与成本也居高不下。因此，早期光纤通信系统多半应用在长途的通信需求中，这样才能让光纤的优势彻底发挥，并且抑制住不断增加的成本。

2000年以后光纤通信的成本也不断下降，目前已经和铜缆为骨干的通信系统不相上下。对于光纤通信产业而言，1990年光放大器正式进入商业市场的应用后，很多超长距离的光纤通信才得以真正实现，例如越洋的海底光缆。到了2002年时，越洋海底光缆的总长已经超过250000千米，每秒能携带的信息量超过2.56×10¹²比特。而且根据电信业者的统计，这些数据从2002年后仍然不断地大幅成长中。

对于某个通信系统而言，是使用传统的铜缆作为传输介质，还是使用光纤，有几项考量。光纤通常用于高带宽以及长距离，因为其具有低损耗、高容量，以及不需要太多中继器等优点，另外，即使跨越长距离的数条光纤并列，彼此也不会产生串扰，这和传输电信号的传输线正好相反。

不过对于短距离与低带宽的通信应用而言，使用电信号的传输有下列好处：较低的建置费用，组装容易，可以利用电力系统传递信息。因为这些好处，所以在很短的距离传输信息，例如主机之间、电路板之间，甚至是集成电路芯片之间，通常还是使用电信号传输。然而目前也有些还在实验阶段的系统已经改用光纤来传递信息。在某些低带宽的场合，光纤通信仍然有其独特的优势：能抵抗电磁干扰，包括核子造成的电磁脉冲；对电信号的阻抗极高，所以能在高电压或是地面电位不同的状况下安全工作；重量较轻，这在飞机中特别重要；不会产生火花，在某些易燃的环境中显得重要；没有电磁辐射、不易被窃听，对于需要高度安全的系统而言十分重要；线径小，当绕线的路径被限制时，变得重要。

三、数字信号

信息的采集、传输、处理，要求有一种表达和交流信息的工具，这种工具就是数据。数据是信息的具体表示，数据不仅包括数值数据，还包括语言、文字、图形、声音等非数值数据。

在传统的信息技术中，如通过电话传送声音（数据）时，是用话筒之类的声电转换器把声信号转换成电信号，且电信号的波动形式和声信号完全一样。电信号通过电话线传到接收方再通过扬声器之类的电声转换器转换还原成声音信号。这种用电信号波动模拟声音波动的方式称为模拟方式，这样的电信号称为模拟信号。由于传输过程的干扰，模拟信号往往失真。

数字信号和模拟信号

20世纪70年代发展起数字传输技术。这种技术是把数值数据和非数值数据都转化为数字信号。数字信号是一种间断的脉冲信号，由一些矩形波组成，有矩形的地方用二进制数字“1”代表，没有矩形的地方用二进制数“0”代表，这样原始信号就转为一连串由“0”、“1”组成的编码——数字信号。数字信号有很强的抗干扰能力，因为它只有“0”、“1”两个状态。由于计算机都是用二进制处理数据，所以很方便地与数字通信接口。